Кузин А.В. Компьютерные сети
Подождите немного. Документ загружается.
6.1.
Кпассификацм11
операционных
с
метем
131
особенностями
использованных
методов
проектирования,
типа
ми
аппаратных
платформ, областями
использования
и
многими
другими
свойствами.
По
этим
признакам
проведена
классифика
ция
ОС,
по:казанная
на
рис.
6.1.
~~ные~емы
J
J
l
1
1
Рис.
6.1.
Классификация
операционных
систем
Алrоритмы
упрааленИJI
ресурсами
определяют
эффективность
сетевой
операционной
системы.
Среди
них
важнейшими
явля
ются
следующие
алгорИТМЪI.
Поддержка
мноrозада'IВОСТII
определяется
по
числу
одновре
менно
выполняемых
задач:
однозадачные
(MS-DOS)
и
многоза
дачные
(OS/2, UNIX, Windows
98/2000/ХР
и
др.).
Однозадачные
ОС
включают
средства
управления
периферийными
устройства
ми,
средства
управления
файлами,
средства
общения
с
пользова
телем.
Многозадачные
ОС,
кроме
перечисленных
функций
одно
задачных
ОС,
управляют
раздел
ением
совместно
используемых
ресурсов,
таких
как
память,
оперативная
память,
файлы
и
внеш
ние
устройства
и
др.
Поддержка
мноrопользовательскоrо
режима
определяется
по
числу
одновременно
работающих
пользователей
и
подразделяет
ся
на
однопользовательские
(MS-DOS, Windows
З.х
и
др.)
и мно
гопользовательские
(UNIX, Windows Server).
Многопользова
тельские
системы,
в
отличие
от
однопользовательских
,
обладают
132
Глава
б.
Сетевые
операционные
системы
более
развитой
системой
защиты
информации
каждого
пользова
теля от
несанхционированного
доступа
других
пользователей,
а
таюке
совместного
доступа
к
разделяемым
между
ними
р
есурсам.
Поддержка
вытесняющей
и
невытесн810щей
миоrоэада11111ости
определяется
по
способу
распределения
процессориого
времени
между
несколькими
одновременно
существующими
в
системе
процессами
.
Основным
различием
между
вытесняющей
и
невы
тесняющей
многозадачностью
является
степень
централизации
механизма
планирования
процессов.
У
невытесняющей
многоза
дачности
механизм
планирования
процессов
сосредоточен
в
опе
рационной
системе,
а
у
вытесняющей
распределен
между
ОС
и
прикладными
программами.
При
невытесняющей
многозадачно
сти
активный
процесс
выполняется
до
тех
пор,
пока
он
сам
не
отдаст
управление
операционной
системе
для
того,
чтобы
она
сама
выбрала
из
очереди
другой
готовый
к
выполнению
процесс.
При
вытесняющей
многозадачности
решение
о
переключении
процесса
с
одного
процесса
на
друrой
примимается
операцион
ной
системой,
а
не
самим
активным
процессом.
Поддержка
мноrопроцессориой
обработки
определяется
чис
лом
процессоров,
задействованных
на
обработку
активных
про
цессов.
При
многопроцессорной
обработке
все
алгоритмы
управления
усложняются
на
порядок,
данный режим
обработки
также
называют
мут.типроцессироваиием
.
Многопроцессорные
ОС
мoryr
классифицироваться
по
способу
организации
вычис
лительного
процесса
на
асимметричные
и
симметричные.
Асим
метричные
ОС
выполняются
целиком
только
на
одном
из
про
цессов
системы, распре
деляя
прикладные
задачи
по
остальным
проц
ессора
м.
Симметричная
ОС
полностью
децентрализована
и
использует
весь
пул
процессоров,
разделяя
их
между
системны
ми
и
прихладными
задачами.
Особенности
построения
аппаратных
платформ
базируются
на
свойствах
операционной
системы,
ориентированных
на
аппа
ратные
средства,
на которых она
реализуется.
По
типу
аппарату
ры
различают
ОС
персональных
компьютеров,
мейнфреймов,
кластеров
и
сетей
ЭВМ.
Среди
перечисленных
типов
компьюте
ров
мoryr
встречаться
как
однопроцессорные
варианты,
так
и
многопроцессорные.
Для
больших
компьютеров,
например
мно
гопроцессорных
серверов,
функции
планирования
потока
вы
полнения
задач
реализуются
путем
использования
сложных
при
оритетных
заданий
и
требуют
большей
вычислительной
мощно
сти
,
чем
в
ОС
персон
альных
компьютеров,
в
связи
с
чем
ОС
6.1.
Классификация
операционных
систем
133
больших
машин
являются
более
.
сложными
и
функциональны
ми.
Сетевые
ОС
имеют
в
своем
составе
средства
передачи
сооб
щений
между
компьютерами
по
линиям
связи
.
На
основе
этих
сообщений
сетевая
ОС
поддерживает
разделение
ресурсов
ком
пьютера
между
удаленными
пользователями
,
подключенными
к
сети.
Для
реализации
этих
функций
сетевые
ОС
поддерживают
с
пециальные
программвые
компоненты
,
реализующие
коммуни
кационные
протоколы
,
рассмотренные
в
предыдущей
главе
.
Другие
требования
предъявляются
к
операционным
системам
кластеров.
Кластер
-
слабо
связанная
совокупность
нескольких
вычислительных
систем
,
работающих
совместно
для
выполнения
общих
приложекий
и предоставляющихся
пользователю
единой
системой
.
Наряду
со
специальной
аппаратурой
для
функциони
рования
кластерных
систем
необходима
программмая
поддержка
со
стороны
ОС,
которая
сводится
к
синхронизации
доступа
к
разделяемым
ресурсам,
обнаружению
отказов
и
динамической
конфигурации
системы
.
Кроме
того,
существуют
ОС,
специально
разработанны
е
таким
образом
,
чтобы
при
необходИмости их
можно
было
перенести
с
одного
компьютера
на
другой
.
Такие
ОС
называют
мобНJJЪными
.
Особенности
областей
использования
для
многозадачных
ОС
подразделяются
на
три
типа
в
соответствии
с
использованными
при
их
разработке
критериями
эффе~сrивности:
•
системы
пакетной
обработки
(например,
ОС
ЕС);
•
системы
разделения
времени
(UNIX,
VМS);
•
системы
реального
времени
(QNX, RT/11).
Системы
пакетиой
обр аботки
предназначались
для
решения
задач
в
основном
вычислительного
xapa~crepa
,
не
требующих
бы
с
трого
nолучения
результатов.
Главной
целью
и
критерием
эф
фективности
систем
-
пакетной
обработки
является
максимальная
nропусхная
способность,
т
.
е.
решение
максимального
числа
за
дач
в
единицу
времени.
Для
достижения
этой
цели
в
системах
пакетной
обработки
ис
пользуется
следующая
схема
функционирования
:
в
начале
работы
формируется
пакет
задания
,
каждое
задание
содержит
требование
к
системным
ресурсам;
из
этого
пакета
заданий
формируется
мультипроrраммная
смесь
,
т. е.
множество
одновременно
выпол
няемых
задач
.
Для
одновременного
выполнения
выбираются
за
д
ачи
,
пред"Ьявляющие
отличающиеся
требования
к
ресурсам
,
так
,
чтобы
обеспечивалась
сбалансированная
загрузка всех
устройств
вычислительной
машины;
например,
в
мультипроrраммной
сме-
134
Глава
6.
Сетевые
оnерационные
системы
си
желательно
одновременное
присуrствие
вычислительных
задач
с
интенсивным
вводом-выводом.
Выбор
нового
задания
из пакета
заданий
зависит
от
внуrренней
ситуации,
складывающейся
в
сис
теме,
т
.
е.
выбирается
«ВЫгодное•
задание.
Следовательно,
в
таких
ОС
невозможно
гарантировать
то
или иное
задание
в
течение
оп
ределенного
периода
времени.
В
системах
пакетной
обработки
переключемне
процессора
с
выполнения
одной
задачи
на
выпол
нение
другой
происходит
только
в
случае,
если активная
задача
сама
отказывается от
процессора,
например
из
-за
необходимости
выполнить
операцию
ввода-вывода
.
Поэтому
одна
задача
может
надолго
занять
процессор
,
что делает
невозможным
выполнение
интерахтивных
задач.
Таким
образом,
взаимодействие
пользователя
с
вычислитель
ной
машиной
,
на
которой
установлена
система
пакетной
обра
ботки,
сводится
к
тому,
что
он
приносит
задания
,
отдает
его
диспетчеру-оператору,
а в
конце
дня
после
выполнения
всего
пакета
задания
получ
ает
результат.
Очевидно,
что
такой
порядок
снижает
эффективность
работы
пользователя
.
Системы
paздeлeiDIJI
времени
призваны
исправить
основной
недостаток
систем
пакетной
обработки
-
изоляцию
пользовате
ля-программиста
от процесса
выполнения
его
задач
.
Каждому
пользователю
системы
разделения
времени
предоставляется
тер
минал,
с
которого
он
может
вести
диалог
со своей
проrраммой
.
Так
как
в
системах
разделения
времени каждой
задаче
выделяет
ся
только
квант
процессориого
времени
,
ни
одна
задача
не
зани
мает
процессор
надолго,
и
время
ответа
оказывается
приемле
мым.
Если
квант
выбран
достаточно
небольшим,
то
у
всех
поль
зователей,
одновременно
работ
ающ
их
на
одной
и
той
же
машине
,
складывается
впечатление
,
что
каждый
из
них
едино
лично
использует
машину.
Ясно
,
что
системы
разделения
време
ни
обладают
меньшей
пропускной
способностью,
чем
системы
пакетной
обработки,
так
как
на
выполнение
принимается
каж
дая
запущенная
пользователем
задача,
а
не
та,
которая
свыгод
на•
системе,
и,
кроме
того,
имеются
накладные
расходы
вычис
лительной
мощности
на
более
частое
переключемне
процессора
с задачи
на
задачу.
Критерием
рациональности
построе~:~ия
сис
тем
разделения
времени
является
не
максимальная
пропускмая
способность, а удобство
и
эффективность
работы
пользователя
.
Системы
реального
времени
применяются
для
управления
различными
техническими
объектами
,
такими
,
например,
как
станок
,
спутник,
научно
-э
кспериментальная
установка
или
тех-
6.1.
Классификация
оnерационных
систем
135
нологическими
процессами,
такими,
как
гальваническая
линия,
доменный
процесс
и
т.
п.
Во
всех
этих
случаях
существует
пре
дельно
допустимое
время,
в
течение
которого
должна
быть
вы
полнена
та
или
иная
программа,
управляющая
объектом,
в
про
тивном
случае
может
произойти
авария:
спутник выйдет
из
зоны
видимости,
экспериментальные
данные,
поступающие
с
датчиков,
будут
потеряны,
толщина
гальванического
покрытия
не
будет
соответствовать
норме.
Таким
образом,
критерием
эф
фективности
для систем
реального
времени
является
их
способ
ность
выдерживать
заранее
заданные
интервалы
времени
между
запуском
программы
и получением
результата
-
управляющего
воздействия.
Эrо
время
называется
временем
реакции
системы,
а
соответствующее
свойство
системы
-
реактивностью.
Для
этих
систем
мультипрограммная
смесь
представляет
собой
фиксиро
ванный
набор
заранее
разработанных
программ
,
а
выбор
nро
граммы
на
выполнение
осуществляется
исходя
из
текущего
со
стояния
объекта
или
в
соответствии
с
расписанием
плановых
работ.
Некоторые
операционные
системы
могут
совмещать
в
себе
свойства
систем
разных
типов,
например
,
часть
задач
может
вы
полняться
в
режиме
пакетной
обработки,
а часть
-
в
режиме
реального
времени
или
в
режиме
разделения
времени.
В
таких
случаях
режим
лакетной
обработки
часто
называют
фоновым
ре
жимом.
В
качестве
особенностей
методов
построения
при
описании
операционной
системы
часто
указываются
характерные
черты
ее
структурной
организации
и
основные
концепции,
положенные
в
ее
основу.
Рассмотрим
три
базовые
концепции
.
Во-первых,
большинство
ОС
используют
монолитное
я
дро,
которое
компонуется
как
одна
лрограмма,
работающая
в
лриви
легированном
режиме
и и
с
пользующая
быстрые
лереходы
с
од
ной
процедуры
на
другую,
не
требующие
переключения
из
привилегированноrо
режима
в
пользовательский,
и
наоборот.
Альтернативой
является
построение
ОС
на
базе
микроядра
,
ра
ботающего
также
в
привилеrированном
режиме
и
вьmолняюще
го
только
минимум
функций
по
управлению
аппаратурой,
в
то
время
как
функции
ОС
более
высокого
уровня
выполняют
спе
циализированные
компоненты
ОС
-
серверы
,
работающие
в
пользовательском
режиме
.
При
таком
построении
ОС
работает
более
медленно,
так
как
часто
выполняются
лереходы
между
136
Глава
б.
Сетевые
операционные
системы
привилеrированным
режимом
и
пользовательским,
зато
система
получается более
mбкой
-
ее
функции
можно
наращивать,
мо
дифицировать или
сужать,
добавляя,
модифицируя
или
исклю
чая
серверы
пользовательского
режима.
Кроме
того,
серверы
хо
рошо
защищены
друг
от
друга
,
как
и
любые
пользовательские
процессы.
Во-вторых,
построение
ОС
на
базе
обык.тно-ор
н
ентированво
rо
подхода
дает
возможность
использовать
все его
достоинства,
хорошо
зарекомендовавшие
себя
на уровне
приложений,
внутри
операционной
системы,
а
именно:
аккумуляцию
удачных
реше
ний
в
форме
стандартных
объектов,
возможность
создания
новых
объектов
на
базе
имеющихся
с
помощью
механизма
наследова
ния,
хорошую
защиту
данных
за
счет
внедрения
во
внутренние
структуры
объекта,
что
делает
данные
недоступными
для
несанк
ционированного
использования
извне,
структурированность
сис
темы,
состоящей
из набора
хорошо
определенных
объектов.
В-третьих,
наличие
нескольких
прнкладн
ы
х
сред
дает
воз
можность
в
рамках
одной
ОС
одновременно
выполнять
прило
жения,
разработанные
для
нескольких
ОС.
Многие
современные
о
п
ерационные
системы
поддерживают
одновременно
приклад
ные
среды
MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2
или
хотя
бы
векоторого
подмножества
из
этого
популярного
набора.
Кон
цепция
множественных
прикладных
сред
наиболее
просто
реа
лизуется
в
ОС
на
базе
микроядра,
над
которым
работают
различ
ные
серверы,
часть
которых
реализуют
прикладкую
среду
той
или
иной
операционной
системы.
Распределенная
организация
операционной
системы
позво
ляет
упростить
работу
пользователя
и
программистов
в
сетевых
средах
.
В
распределенной
ОС
реализованы
механизмы,
которые
дают
возможность
пользователю
представяять
и
воспринимать
сеть
в
виде
традиционного
однопроцессорного
компьютера.
Ха
рактерными
признаками
распределенной
организации
ОС
явля
ются:
наличие
единой
справочной
службы
разделяемых
ресур
сов,
единой
службы
времен·и
,
использование
механизма
вызова
удаленных
процедур
RPC
(Remote Procedure Call)
для
прозрач
ного
распределения
программных
процедур
по
машинам,
много
китевой
обработки,
позволяющей
расnараллеливать
вычисления
в
рамках
одной
задачи
и
вьmолнятъ
эту
задачу
сразу
на
несколь
ких
комnьютерах
сети,
а
также
наличие
других
расnределенных
служб.
6.2.
Обобщенная
структура
оnерационных
систем
137
6.2.
Обобщенная
структура
операционных
систем
Системы
должны
быть
гибкими
с
точки
зрения
бизнес-ком
понентов,
открытыми
на
уровне
технологий
объектного
взаимо
действия,
и,
что
очень
важно
для
будУЩ
е
го,
обладать
высокой
степ
е
нью
стандартизованности
выбранных
ба
з
овых
технологий
.
Чем
больше
производителей
вычислительных
систем
поддержи
вают
стандарт
,
тем
ниже
вероятность
больших
расходов
при
ин
теграции
как
программных
,
так
и
аппаратных
комплексов.
Сетевая
оnерационная
система
составляет
основу
любой
вы
числительной
сети
.
Под
сетевой
оnерационной
системой
вши
роком
смысле
понимается
совокупность
операционных
систем
отдельных
комnьютеров,
взаимодействующих
с
целью
обмена
сообщениями
и
разделения
ресурсов
по
единым
правилам
-
протоколам
.
В
узком
смысле
сетевая
ОС
-
это
операционная
система
отдельного
компьютера,
обеспечивающая
ему возмож
ность
работать
в
сети
.
В
сетевой
операционной
системе
отдельной
машины
можно
выделить
несколько
частей
(рис.
6.2).
Средства
упраалеНИJI
локальными
ресурсами
компьютера
вы
полняют
функции
распределения
оперативной
памяти
между
процессами
планирования
и
диспетчеризации
процессов, управ
ления
процессорами
в
мультипроцессорных
машинах
,
управле
ния
периферийными
устройствами
и
другие
функции
управле
ния
ресурсами
локальных
ОС.
Средстеа
ynJ1811МIUUI
noiC81IItНWMM
рес:урсвмм
(локальная
ОС)
г-
-
--
-
- -
-----
-
-----
--
- -
-------,
С.рВ8рН811
'IIICПt
Кnментеtw1
чкn.
1
'Оболочка
Средстаа Средства
заnроса
V
nредоставnения
доступа
1
собстаенных
к
удаленным
t
ресурсое
в
общее
ресурсам
:
ПОЛЬ30118НМ8
М
услуrам
1
'
'
1
Коммунмqцмоннwе
средстеа
1 :
'
-
-
------------ив-~-------
-
---·
Рис.
6.2.
Структура
сетевоЯ
ОС
138
Глава
6.
Сетевые
операционные
системы
Средства
предоставления
собственных
ресурсов
и
услуг
в
об
щее
пользование
-
серверная
часть
ОС
(сервер).
Эти
средства
обеспечивают,
например,
блокировку
файлов
и
записей,
что
не
обходимо
для
их
совместного
исnользования;
ведение
справоч
ников
имен
сетевых
ресурсов;
обработку
запросов
удаленного
достуnа
к
собственной
файловой
с
ист
еме
и
базе
данных;
уnрав
ление
очередями
запросов
удаленных
пользовател
ей
к
своим
пе
риферийным
устройствам.
Средства
запроса
доступ
а
к
удаленным
ресурсам
и
услугам
и
их
использования
-
клиентская
часть
ОС
(редиректор)
.
Эта
часть
выполняет
распознавание
и
перенаправление
в сеть
за
просов
к
удаленным
ресурсам от
прилож
ений
и
пользовате
лей,
при
этом
запрос
постуnает
от
приложемня
в
локальной
форме,
а
передает
ся
в
сеть
в
другой
форме,
соответствующей
требованиям
сервера.
Клиентская
часть
также
осуществляет
прием
ответов
от
серверов
и
nреобразование
их
в
локальный
формат
,
так
что
для
приложе
ния
выполнение
локальных
и
удаленных
запросов
неразличимо.
Коммуникационные
средства
ОС
,
с
помощью
которых
проис
ходит
обмен
сообщениями
в
сети.
Эта
часть
обесnечивает
адреса
цию
и
буферизацию
сообщений,
выбор
маршрута
nередачи
сооб
щения
по
сети,
надежность
передачи
и
т.
п
.,
т.
е.
является
средст
вом
транспортировки
сообщений
.
В
зависимости
от
функций,
возлагаемых
на
конкретный
комnьюте
р,
в
его
операционной
системе
может
отсутствовать
либо
клиентская,
либо
серверная
части.
На
рис.
6.3
nоказано
взаимодействие
сетевых
компонентов.
Здесь
ЭВМ
l
выnолняет
роль
клиента,
а
ЭВМ
2 -
роль
сер
вера,
соответственно
на
первой
машине
отсутствует
серверная
ч
асть,
а
на второй
-
клиентская.
На
рисунке
отдельно
nоказан
компонент
клиентской
части
-
редиректор.
Именно
редиректор
перехватывает
все
за
просы,
постуnающие
от
nриложений
,
и
ана
лизирует
их.
Если
выдан
запрос
к
ресурсу
данного
комnьютера,
наnример
HDD (Hard Disk Drive),
то
он
переадр
есовывается
со
ответствующей
nодсистеме
локальной
ОС,
если
же
это
заnрос
к
удаленному
ресурсу,
он
переправля
ется
в
сеть.
При
этом
клиент
ская
часть
преобразует
запрос
из
локальной
формы
в
сетевой
формат
и
nереда
ет
его
транспортной
подсистеме,
которая
отве
чает
за
доставку
сообщений
указанному
серверу.
Серверная
часть
оnерационной
системы
ЭВМ
2
nринимает
запрос,
преоб
разует
его
и
nередает
для
выполнения
своей
локальной
ОС.
По
сле
того
как
результат
получен,
сервер
об
ращается
к
транспорт-
6.2
.
06общенна11
струюура
оnерационных
систем
139
ЭВМ
1
ЭВМ2
Приложенив
2
Рис.
6.3
.
Взаимодействие
компонентов
операционной
системы
nри
взаимодейст
вии
компьютеров
ной
подсистеме
и
направляет
ответ
клиенту,
выдавшему
запрос.
Клиентская
часть
преобразует
результат
в
соответствуюЩИЙ
фор
мат
и
адресует
его
тому
nриложению
,
которое
выдало
запрос.
Существует
два
подхода
к
построению
сетевых
ОС
(рис.
6.4).
Обоnочка
@
ос
со
естроенными
сетевыми
фун~циями
LAN
Мanager
(
над
0512)
Personal
Were
(над
OOS
7)
Netware
(клиенты)
Windows
NТ
Wotltstallon
Windows
NТ
Server
Netware
(сервер)
Рис
.
6.
4.
Вариакты
nостроения
сетевых
ОС
140
Глава
б.
Сетевые
оnерационные
системы
Первые
сетевые
ОС
представляли
собой
совокупность
суще
ствующей
локальной
ОС
и
надстроенной
над ней
сетевой
оболоч
ки.
При
этом
в
локальную
ОС
ветраивалея
минимум
сетевых
функций,
необходимых
для работы
сетевой
оболочки,
которая
выполняла
основные
сетевые
функции.
Примером
такого
подхо
да
является
использование
на
каждой
машине
сети
.
операцион
ной
системы
MS DOS
(у
которой,
начиная
с
ее
третьей
версии,
появились
такие
встроенные
функции,
как
блокировка
файлов
и
записей,
необходимые
для
совместного
доступа
к
файлам).
Принцип
построения
сетевых
ОС
в
виде
сетевой
оболочки
над
локальной
ОС
используется
и
в
современных
ОС,
таких,
напри
мер,
как
IANtastic
или
Personal Ware.
Однако
более
эффективным
представляется
путь
разработки
операционных
систем,
изначально
предназначенных
дЛЯ
работы
в
сети.
Сетевые
функции
у
ОС
такого
типа
глубоко
встроены
в
основные
модули
системы,
что
обеспечивает
их
логическую
стройность,
простоту
эксплуатации
и
модификации,
а
также
вы
сокую
производительность.
Примером
такой
ОС
является
систе
ма
Windows
NT
фирмы
Microsoft,
которая
за
счет
встроенности
сетевых
средств
обеспечивает
более
высокие
показатели
произ
водительности
и
защищенности
информацИи
no
сравнению
с
сетевой
ОС
I.AN Manager
той
же
фирмы
(совместная
разработка
с
IВМ),
являющейся
надстройкой
над
локальной
операционной
системой
OS/2.
Компоненты
сетевой
операционной
системы
на
каждой
рабочей
станции
и
файловом
сервере
взаимодействуют
друг
с
другом
посредством
языка,
называемого
протоколом.
Од
ним
из
общих
протоколов
является
протокол
фирмы
IBM
NetBIOS (Network Basic lnput Output
System-
Сетевая
операци
онная
система
ввода-вывода).
Другим
распространенным
прото
колом
является
IPX (lntemet-work Packet
Exchange-
Межсете
вой
обмен
пакетами)
фирмы
Novell.
б.З.
Модель
клиент-сервер
и
модель ОС
на
базе
микроядра
Модель
клиеm-сервер
-
это
еще
один
подход
к
структуриро
ванию
ОС.
В
широком
смысле
модель
клиент-сервер
предпола
гает
наличие
проrраммного
компонента
-
потребителя
како
го-либо сервиса
-
клиента
и проrраммного
компонента
-
по-